HARQ简介
作者：互联网
HARQ的由来
HARQ是为了更好的抗干扰和抗衰落，提高系统吞吐量（有效性）和数据传输的可靠性而研发的一种基于FEC(前向纠错)和ARQ（自动重传）的新型通信技术，全称为Hybrid Automatic Repeat Request ，国内译为混合自动重传。
HARQ的分类
依据ARQ的不同合并方式以及重传帧的不同，可以将HARQ分为3类。
I型HARQ
这类HARQ只是简单的将FEC和ARQ进行组合起来，并没有充分将两种技术有效融合，是最为传统的HARQ方案。系统框图如下：
信源想要发送的消息首先经过需要经过CRC检验位的插入，然后经过FEC编码，再通过发射机发射出去。信号在信道中传输由于会受到噪声的影响，因此会有不同程度的失真。在经过FEC解码之后，如果能顺利通过CRC校验，则发送ACK信号至发射机，表示信宿已收到想要传输的信息，否则发送NACK信号经过ARQ重传机制让发射机重新发送一遍原来的信号（图中为了美观将ACK信号直接指向了信宿而不是像NACK一样经过反馈信道传至ARQ重传机制）。HARQ-I型的纠检错能力主要依靠FEC编码来实现，没有通过CRC检验的信息包将由发端重发一份。因此在信道环境恶劣时，传输信息的速率将大打折扣。为了避免某个信息包一直重发的现象，我们一般会设置最大重传次数（3GPP中是3次）。虽然采用HARQ-I型的系统在吞吐量的指数上会比较低，但系统结构简单，信令开销较少。
II型HARQ
HARQ-II型也被称为完全增量冗余方式（Full IR）HARQ。它在HARQ-I型的基础上加入了组合译码，每次重传的数据包与第一次的有所不同，不包含系统信息位，只是增加了部分冗余信息。因为不包含系统信息位，所以每次重传的数据包不能独立译码，必须结合第一次所包含的系统信息位组合译码。每次冗余信息的增加都能够提高系统的编码效益，增加了解码成功的概率。未经过CRC校验的数据包会被放入缓存器中保存，等待重发的数据包——IR数据帧，并与之合并，组合译码，直到达到最大重传次数。系统框图如下：
III型HARQ
HARQ-III型同样也属于增量冗余方式的HARQ，但与HARQ-II型不同的是，它的重传信息包不仅包括冗余信息，还包括系统信息位，因此也被成为部分增量冗余HARQ。正是因为重传信息包包含有系统信息位，每个包都能够独立译码，所以HARQ-III型具有两种不同的译码方式。一是多版本冗余HARQ，这是一种类似于HARQ-II型的组合译码，通过特殊设计使每次传输的信息包内容有所不同，因此每次的叠加都能够带来相应的编码增益，使得译码信息更加全面，有利于准确译码；二是chase合并HARQ，每次传输的数据是一样的，但在译码时会以信噪比为权值，对信息包进行合并译码，从而能够获得时间分集增益。信道环境较好时，两种译码方式的效能是差不多的，但在信道环境恶劣时，多版本的IR-HARQ具有更好的性能，但chase合并HARQ的信令简单，系统开销较少等优点。HARQ-III型系统框图如下：
接收机收到数据包之后进行FEC解码，将解码失败的包放进缓存器中，并向发端发送NACK请求重传，第一次重发的IR数据帧和缓存器中的第一次数据帧合并再次进行FEC解码，如果依旧没有通过FEC解码，则继续存入缓存器。如果通过了FEC解码，但没有通过CRC校验，则继续以上步骤，直到达到最大重传次数。
HARQ-III型实现复杂，对硬件和软件的要求也高，占用的资源也相应更多，但它的性能也是这三种HARQ系统中最为优异的，能够适应未来高速率、高可靠性的移动通信业务，提高服务质量，因此在相应领域也得到了广泛应用。
HARQ系统的三种协议
HARQ的重发机制能否有效实现，受限于发端和收端对数据的缓冲能力，因此选择合适的HARQ协议非常重要。目前已有的三种协议分别是，停等协议（Stop-And-Wait，SAW）、回退N步协议（Go-Back-N，GBN）和选择性重传协议（Selective-Repeat，SR）。
（1）停等式
这是最简单的重传协议，顾名思义，即发端发送一个数据包之后，需要等待收端发送确认信息，才能分发下一个数据分组包。停等式HARQ的工作实例如下图所示：
当收端收到之前所传输的数据时，会对其进行解码和校验，校验成功之后会向发端发送一个ACK确认信号，这时发端才开始发送下一个新的数据包，如果校验失败，则发送一个NACK否定信号至发端，请求重发，知道收端校验成功并发送ACK信号给发端。
采用停等式工作协议的系统在等待ACK或者NACK的过程中是不会发送任何数据的，因此这段时间信道处于空闲状态。这种系统由于同一时间段内只对一个数据包进行操作，信令开销小，实现起来相对简单，对与收端的缓存能力要求也低。但是它的弊端也很明显，等待确认信号的过程中不发送任何数据但却占用信道，因此信道吞吐率较低，信道的利用率也不高。
（2）后退N步式
后退N步式协议相比于停等式协议具有更高有效性，因为后退N步式规定发送端可以不停发送数据帧而不必特地停下来等待ACK确认数据帧。所要传输的数据帧是按序号顺序被连续发送的。在发送的过程中，发端还可以接收由收端发过来的ACK/NACK应答帧。数据帧得到确认的同时，发端在继续发送序号更大的数据帧，但如果传输有错，则需要将出错的数据帧，以及后面陆续传输的数据帧都进行重传。后退N步式的工作流程如下图所示：
（3）选择重传式
选择重传式是回退N步式的改进。这种重传方式按照数据帧按序传输的方式，但是收端却并不会按照序号进行接受，而是将接收到的数据帧都存储起来，等待传输出错的数据帧，然后按序组合。这意味着SR需要更多的内存空间。另外，SR在重传数据帧的内容上也与GBN有所不同。II型重传的是整个数据帧，但SR重传的是部分数据帧。这些数据帧部分的选择是经过精心设计的，具有互补性。因为无需对其它数据帧重传，只需要传输错误数据帧，因此信道的利用率进一步提高。SR工作流程示意如图：
虽然SR的信道利用率在三种协议中是最高的，但它所需要的内存和信令开销也是最大的。协议的选择需要根据实际情况综合考量实践难度、成本等因素。例如在3GLTE系统中将采用停等式(SAW)重传协议。这种机制不仅简单可靠，系统信令开销小，并且降低了对于接收机的缓存空间的要求。但是，该协议的信道利用效率较低。为了避免这种不利，3GLTE系统采用了N 通道的停等式协议，即发送端在信道上并行地运行N套不同的SAW协议，利用不同信道间的间隙来交错地传递数据和信令，从而提高了信道利用率。
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